介电高分子复合材料与器件

本方向由罗行研究员负责，从事高分子介电复合材料的理论和应用研究。解决了复合材料中普遍存在的无机填料分散性和相容性问题，揭示了聚合物电介质高温高场电导机理，开发了具有自主知识产权的高性能国产电容器薄膜材料，突破了其大规模制备技术。在Adv Mater（2）、Adv Funct Mater（4）、Nano Lett（2）、Chem Soc Rev和Macromolecule（2）等期刊发表SCI论文70余篇，被引5600余次，其中NI论文11篇，入选热点论文1篇、ESI高被引论文7篇，受邀合著英文著作1部（RSC Publishing，UK）。主持国家自然科学面上/青年基金和国家重点研发计划子课题等科研项目12项，获湖南省优秀青年科学基金资助，入选湖南省青年科技人才和湖湘青年英才等人才称号。获中国授权发明专利25项，电容器薄膜材料技术包含的7项发明专利作价4100万元，完成了科技成果转化。主要创新成果如下：

图1 主要研究思路与成果

（1）开发了多种表面修饰剂，有效解决了复合材料中的分散和相容性问题，通过精准调控陶瓷粉末表面修饰层厚度，为量化研究复合材料中的界面效应奠定了基础。

提出以水溶性海因环氧树脂为修饰剂，显著改善了其在复合物中的分散性和与聚合物基体的相容性，该修饰剂和修饰方法适合对大批量无机填料进行表面修饰，为陶瓷粉末表面修饰的大规模化应用提供了方法。提出采用刚性的液晶高分子，修饰陶瓷粉末表面，不仅有效改善陶瓷粉末的分散性和相容性，还利用液晶高分子分子链的刚性和自取向等特性精确控制其修饰厚度，为量化研究复合物中的界面效应提供了基础。清华大学南策文院士等对采用海因环氧树脂修饰陶瓷颗粒的思路进行了充分肯定。该部分工作在Adv Sci和Macromolecules等期刊上发表论文12篇，获授权发明专利8项。

图2 （a-f）BaTiO3纳米线和纳米颗粒表面不同PTFMPCS修饰层厚度的透射电镜图，（g）液晶高分子修饰层厚度精细调控机理图（Lrod和Nrod值分别为修饰层厚度和聚合度）

（2）构筑了具有拓扑结构和多级界面的新型介电复合材料，阐明了多层结构中宏观和微观界面的极化机理，实现复合材料介电常数和有效储能密度达到国际领先水平。

利用冷冻干燥及浸渍填充工艺制备了陶瓷相高度取向分布的BaTiO₃/环氧树脂介电复合材料。揭示了这种陶瓷颗粒定向排列的复合物由于电场耦合作用对复合材料的极化效应的增强机理，获得了优异的介电性能，介电常数为聚合物基复合材料领域的最高值。为解决介电常数和介电强度难协同提升的难题，提出基于低负载BaTiO₃纳米线的PVDF基夹层结构纳米复合材料新策略。利用三明治结构的阻挡效应和BaTiO₃纳米线填料的低负载量来保持高击穿强度，进一步采用拉伸工艺，阐明了复合材料微观结构和宏观性能间的演变规律，有效储能密度达到40.9 J/cm³，国际领先。Penn State知名学者王庆教授高度评价我们打破复合材料介电常数和介电强度倒置关系的方法。该部分工作在Adv Mater和Nano Energy等期刊上发表论文8篇，获授权专利6项。

图3 高取向度的层状结构BaTiO₃/环氧树脂复合材料

（3）提出湿法改性的策略，将大规模制备的聚丙烯薄膜工作温度提升至120℃；实现聚酰亚胺薄膜材料储能密度和温度稳定性协同优化，将其工作温度提升至250℃。

聚合物薄膜电介质材料在高温高场条件下长时间稳定服役是当前亟需解决的技术难题。当前国产聚丙烯薄膜难以在105℃以上稳定工作，采用湿法改性的策略，提高了国产聚丙烯薄膜材料在高温高场下的服役稳定性，发展了其服役物性演化过程的原位测量方法，实现改性国产聚丙烯薄膜在120℃高温以上长时间稳定工作，突破了其大规模制备技术，单次获得高性能改性聚丙烯树脂2.5吨，连续收卷双轴拉伸聚丙烯薄膜3000米，厚度＜6微米，有望率先实现电容级聚丙烯树脂的国产替代，打破欧美国家的技术封锁，社会意义和经济效益显著。提出了一种新型的自交联策略用于改善聚酰亚胺的耐热性和高温储能性，250℃下其储能密度达3.5 J/cm³，效率＞92%，性能远超商业薄膜介质材料，具有重大战略意义。该部分工作在Adv Funct Mater和Small等期刊上发表论文10篇，电容器薄膜材料技术完成成果转化，作价4100万元。

图4 双轴拉伸聚丙烯薄膜和卷对卷PEI膜实物照片